JPH0933071A - 水搬送配管内の摩擦抵抗低減方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】界面活性剤を添加した水搬送配管において、実
用的な配管口径及び流速の範囲を実験により解明し、配
管内の摩擦抵抗を低減させる。 【構成】界面活性剤を添加した溶液を搬送する水搬送配
管において、配管口径を８０〜２，０００ｍｍの範囲内
で、かつ流速を０．５〜３．５ｍ／ｓの範囲内で設定
し、また、溶液の温度に対して所望の摩擦抵抗低減効果
が出るように界面活性剤の濃度を設定する方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷熱媒、温熱媒等の水
を長い距離にわたって搬送する水搬送配管内の摩擦抵抗
を低減するための方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、地域冷暖房システムにおいて
は、建物や地域へ熱媒を循環させるための配管の長さは
数１００ｍ〜数ｋｍ以上となる。また、ゴミ焼却場など
の高温排熱や、下水処理水、海水、河川などの温度差エ
ネルギーを利用した地域熱供給システムは、省エネルギ
ー効果が高いと期待されるが、これらの未利用エネルギ
ーを地域冷暖房プラントまで搬送する必要がある。これ
らのシステムでは、配管設備コストや建設コストが膨大
なものになると共に、水搬送動力が増大し、結果として
省エネルギー性、経済性から熱供給エリアを狭め、排熱
等の搬送可能な距離を短くしているのが現状である。

【０００３】そこで、建設コストを削減し水搬送動力を
低減させる有効な方法として、配管内を流れる水の配管
摩擦抵抗を低減させることが考えられる。これに関連す
る研究としては、乱流域において流体摩擦抵抗が、高分
子剤の希薄溶液を少量添加することによって著しく低減
する現象が1948年A.B.Tomsにより発見され、トムズ効果
と呼ばれている。近年は高分子剤に代わり、ポンプ等の
剪断に対して再生機能のある界面活性剤が最も有望な添
加剤として研究されている。

【０００４】この摩擦抵抗低減に至るメカニズムの体系
的な解明は、未だ研究途上であり諸説が提案されている
が、凡そは図９に示すように高分子剤が流れ方向にスレ
ッド（thread＝より糸）の状態となって存在すると、そ
れらが断面方向への流塊の移動を阻止し即ち、乱流現象
を緩和することにより配管内壁面での摩擦抵抗（壁面剪
断応力）の低減につながると推定されている。

【０００５】一方、界面活性剤は図１０（Ａ）に示すよ
うに、疎水基部と親水基部からなり、静止流体中では図
１０（Ｂ）に示すように、疎水基部を中心に外周に親水
基部が取り巻くミセル（会合体）を形成するが、一定濃
度以上の溶液では、図１０（Ｃ）に示すように、流れ方
向に沿ってロッド（棒状）ミセルができ、それらが絡ま
って高分子剤と同様にスレッドを形成すると推定されて
いる。ただし、すべての界面活性剤溶液がこのような現
象を示すわけではなく、界面活性剤の中で粘断性性状を
示すものがこのような現象を示すといわれている。（粘
断性性状とは、加えていた応力をゆるめた時に、少なく
とも部分的にその当初の形に復帰する性状で、例えば溶
液を旋回させた後に静置すると、溶液の回転が遅くなっ
てやがて反転しはじめるような性状を示す。） 従来、水搬送系に界面活性剤を添加することにより配管
摩擦抵抗を低減させる実験データが、「L.C.Chou et a
l:Drag Reducing Additives for DistrictCooling Syst
ems,Proceedings of the International District Heat
ing andCooling Association,80-th Annual Conferenc
e」において報告されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の実験データは、実験室規模での小口径（６ｍｍ）配
管による結果であり、摩擦抵抗低減効果を示すピークで
の流速も、１４〜１５ｍ／ｓにもなり、１〜２ｍ／ｓと
いう実用流速との違いが大きいことや、非ニュートン流
体では性状が非線形に変化するので、摩擦抵抗低減効果
の流速範囲等相似則からは推測できない、すなわち、小
口径配管の結果を大口径配管に適用できないという問題
を有している。さらに、界面活性剤を添加した水搬送配
管内では、配管途中の弁部分でキャビテーションが発生
すると、溶液中の空気等各種の溶存気体が気泡となって
現れ、システムの安定的な運用が図れないという問題を
有している。

【０００７】本発明は、上記問題を解決するものであっ
て、その第１の目的は、界面活性剤を添加した水搬送配
管において、実用的な配管口径及び流速の範囲を実験に
より解明し、配管内の摩擦抵抗を低減させることであ
る。また、本発明の第２の目的は、界面活性剤を添加し
た水搬送配管内の気体を予め抜くことにより、システム
系を安定させ摩擦低減効果を維持させることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために請求項１記載の本発明は、界面活性剤を添加し
た溶液を搬送する水搬送配管において、配管口径を建物
内空気調和設備用主管部、すなわち地域冷暖房の熱搬送
配管として最小のものから、地域冷暖房の熱搬送配管と
して最大のものに至る口径域、すなわち８０〜２，００
０ｍｍの範囲内で、かつ流速を０．５〜３．５ｍ／ｓの
範囲内で設定し、また、溶液の温度に対して所望の摩擦
抵抗低減効果が出るように界面活性剤の濃度を設定する
ことを特徴とする。また、上記第２の目的を達成するた
めに請求項２記載の本発明は、未利用熱源から熱源プラ
ント又は熱源プラントから熱利用側に水搬送配管を介し
て熱を搬送する熱供給設備において、前記水搬送配管内
に請求項１記載の方法で界面活性剤を添加すると共に、
前記水搬送配管に大気に開放するエア抜き管を設け、設
備の使用開始前に予め配管内の溶液温度を上昇させ、溶
液内の気体の溶存度を小さくして気泡発生による界面活
性剤の摩擦抵抗低減機能低下を防止し、さらに、キャビ
テーションによる気泡発生を防止するために膨張タンク
により所定の静水圧を与えることを特徴とする。

【０００９】

【作用及び発明の効果】本発明に係わる実験によれば、
水搬送配管内に界面活性剤を添加した場合における配管
摩擦抵抗低減率は、配管口径、流速、温度及び濃度をパ
ラメータとして大きく変化することが判り、その結果、
請求項１記載の発明によれば、配管口径を８０〜２，０
００ｍｍの範囲内で、かつ流速を０．５〜３．５ｍ／ｓ
の範囲内で設定し、また、溶液の温度に対して所望の摩
擦抵抗低減効果が出るように界面活性剤の濃度を設定す
ることにより、実用的に優れた摩擦抵抗低減方法を提供
することができる。

【００１０】また、請求項２記載の発明によれば、水搬
送配管に大気に開放するエア抜き管を設け、設備の使用
開始前に予め配管内の溶液温度を上昇させ、溶液内の気
体の溶存度を小さくすることにより、システム系を安定
させ摩擦抵抗低減効果を維持させることができると共
に、配管内の錆の発生をも防止することができる。

【００１１】そして、本発明の摩擦抵抗低減方法を、地
域冷暖房システムにおける供給対象建物への熱搬送もし
くは、ゴミ焼却場などの高温排熱や下水処理水、海水、
河川水などの温度差エネルギーの搬送に利用した場合に
は、摩擦抵抗低減効果により水搬送動力が削減されると
共に、同一の搬送動力であればより多くの搬送流量が得
られ、配管口径を小さくすることができ、配管設備コス
ト及び配管敷設時の掘削断面の削減による建設コストの
削減が可能となる。さらに、長期的には都市排熱等の未
利用エネルギーを活用する広域レベルの排熱回収幹線の
整備にも寄与することができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。図１は、本発明に係わる実験装置の構成図であ
る。実験装置は、３０ｍの直管部Ａで摩擦抵抗低減（以
下、Drag Reduction＝ＤＲとして略称する）効果を測定
する装置であり、直管部Ａは、口径１５０ｍｍの往還配
管Ｃに、口径８０ｍｍの単管Ｂを並列に接続し、ＤＲ効
果を測定するために６ｍ、１２ｍ、１８ｍ、２５ｍの距
離における差圧を計測するための圧力計Ｐを配置してい
る。直管部Ａに界面活性剤を添加した水溶液（以下、Ｄ
Ｒ溶液という）を循環させるために１次側に３台のポン
プ（１台はインバータ付）を配設し、最大５ｍ／ｓの流
速が得られるように流量調節を可能にしている。

【００１３】また、１次側の循環経路では曲がり部や弁
部分での圧力損失が大きく、弁部分でのキャビテーショ
ンの発生を防止するために膨張タンクを高所に設けて所
定の静水圧を与えるようにしている。さらに、１次側の
ＤＲ溶液の温度を変化させるために２次側に加熱・冷却
装置としてガスボイラー及び冷却塔を設置している。た
だし、ボイラーで直接加熱すると局部的な温度上昇によ
り界面活性剤が変質する可能性があるため、熱交換器を
介する間接加熱方式としている。その他、循環経路の必
要個所に開閉弁、温度計Ｔ及び流量計Ｆを配設してい
る。

【００１４】添加する界面活性剤として、ＤＲ効果の大
きいものとしては、例えば図２に示すものが考えられる
が、本実験においては、化学薬品名１のオレイル-ヒ゛ス(2-ヒト゛
ロキシエチル)メチルアンモニウムクロライト゛を添加し、また対イオンにはサ
リチル酸ナトリウムを加えた。そして、界面活性剤の濃
度１５０〜８００ｐｐｍ、ＤＲ溶液の温度２０〜７０
℃、流速０．２〜５．８ｍ／ｓの条件下で実験を行っ
た。また、比較のため通常水での実験も行った。

【００１５】図３は、水溶液の温度及び流速に対するＤ
Ｒ効果の実験結果を示している。なお、配管口径は１５
０ｍｍ、界面活性剤の濃度は５００ｐｐｍで、温度を２
０℃、３０℃、４０℃、５０℃、６０℃、７０℃と変化
させている。ここで、ＤＲ効果とは配管摩擦抵抗低減率
で通常水の場合に対して低減した割合を示し、 ＤＲ効果（％）＝（１．０−（ＤＲ溶液の配管摩擦抵抗
／通常水の配管摩擦抵抗））×１００ により求めている。

【００１６】その結果、ＤＲ効果は、流速がある範囲で
ピークを持つカーブとなり、温度は７０℃以上になると
全ての流速範囲内でＤＲ効果が薄くなり、７０℃以上で
なければ、ある流速範囲内で２０％以上のＤＲ効果が生
じることが判った。例えば、４０℃〜５０℃のＤＲ溶液
を流速０．５〜２．５ｍ／ｓの範囲で用いればＤＲ効果
を７０％以上にすることができ、３０℃及び６０℃のＤ
Ｒ溶液を流速０．５〜１．５ｍ／ｓの範囲で用いればＤ
Ｒ効果を６０％以上にすることができる。また、２０℃
の低温度でも流速０．５〜１．０ｍ／ｓの範囲で用いれ
ばＤＲ効果を６０％以上にすることができ、前述した摩
擦抵抗低減に至るメカニズムから界面活性剤の濃度を増
加させれば当然ＤＲ効果及び効果域が増大することを考
慮すれば、２０℃より低温（例えば５℃）のＤＲ溶液で
もかなりのＤＲ効果が期待できる。

【００１７】図４は、配管径及び流速に対するＤＲ効果
の実験結果を示し、図４（Ａ）は配管口径８０ｍｍ、図
４（Ｂ）は配管口径１５０ｍｍでの流速に対するＤＲ効
果を示している。なお、ＤＲ溶液の温度は４０℃、界面
活性剤の濃度は、１５０ｐｐｍ、５００ｐｐｍ、８００
ｐｐｍと変化させている。

【００１８】その結果、いずれの配管口径でも最大８０
％程度のＤＲ効果を生じ、界面活性剤濃度を大きくする
と、ＤＲ効果を生じさせる流速範囲が広がることが判っ
た。

【００１９】図５は、図４の界面活性剤の濃度が５００
ｐｐｍの実験データ等をもとに作成した配管抵抗（摩擦
損失）線図である（温度４０℃の例）。縦軸に流量を横
軸に単位長さ当たりの摩擦損失を、左傾斜線に等流速線
をとり、配管口径を８０ｍｍ、１５０ｍｍ、５００ｍ
ｍ、１，０００ｍｍ、２，０００ｍｍの場合における、
ＤＲ溶液（実線）と水（点線）の流量と摩擦損失の関係
を示している。従って、ある流量において、ＤＲ溶液と
水の場合との摩擦損失の差Ｘの水の場合に対する比率
（％）が、前記ＤＲ効果に相当する値になる。

【００２０】この計算結果によれば、配管口径を８０〜
２，０００ｍｍの範囲内で、かつ実用的な流速を０．５
〜３．５ｍ／ｓの範囲内で設定することにより、ＤＲ効
果が得られることが期待できる。なお、界面活性剤の濃
度については、所望するＤＲ効果を達成するに必要最小
限の濃度とする。また、ＤＲ溶液の温度については、図
３の実験結果から７０℃以上としない条件下で、界面活
性剤の濃度を増加させることにより２０℃より低温でも
所望のＤＲ効果が期待できる。

【００２１】次に、図６及び図７により、ＤＲ効果がも
たらす効果について説明する。図６（Ａ）に示すよう
に、地域熱供給（ＤＨＣ）システムをモデル化し、熱媒
搬送動力の低減効果を試算した。なお、本試算では、８
０％のＤＲ効果が発揮される条件を直管部分に限定して
行い、さらにその直管部の距離を変化させて影響度合い
を検討している。図６（Ｂ）は、熱供給プラントから熱
需要家までの配管内圧力損失計算結果を示し、図６
（Ｃ）は、ポンプ動力試算結果を示している。直管部の
距離を１０ｋｍに延長したケースでは、約７３％の動力
削減率となり、地域熱供給システムや広域熱搬送システ
ムにおいて大きな効果を発揮する可能性を示している。

【００２２】また、ＤＲ効果により配管の摩擦抵抗が減
少すると、同一のポンプでより多くの搬送流量が得ら
れ、配管口径を小さくすることができ、配管材料の削減
及び配管敷設時の掘削断面の削減が可能となる。この削
減効果を、界面活性剤を加えない水の場合に配管口径を
５００ｍｍとしたものと比較した試算例を図７に示す。
図７（Ａ）は配管掘削モデルを示す図、図７（Ｂ）はＤ
Ｒ効果と配管重量削減効果との関係を示す図、図７
（Ｃ）はＤＲ効果と掘削断面削減効果との関係を示す図
である。試算例によれば、ＤＲ効果が４０％以上になる
と削減効果が現れ始め、ＤＲ効果８０％において、配管
口径が２０％削減され、配管重量が３３％程度削減さ
れ、また掘削断面は１２％程度に削減することができ
る。

【００２３】図８は、本発明の配管摩擦抵抗低減方法を
利用した地域熱供給設備の１実施例を示す構成図であ
る。下水処理水、河川水、海水などの未利用の熱は、熱
交換器及び遠距離配管（水搬送配管）を介して熱源プラ
ントの熱源機器に供給され、ここで冷凍機、ヒートポン
プ等の熱源として利用され、ここで得られた冷水または
温水は、蓄熱槽に蓄熱され、蓄熱槽から熱交換器及び遠
距離配管（水搬送配管）を介して利用側の各建物に供給
される。各遠距離配管内には、前述した界面活性剤を添
加している。

【００２４】ところで、水搬送配管内に界面活性剤を添
加する際、配管途中の弁部分でキャビテーションが発生
すると、溶液中の空気等各種の溶存気体が気泡となって
現れ、システムの安定的な運用が図れないという問題を
有している。これを防止するために本実施例では、水搬
送配管に大気に開放するエア抜き管Ｄを設け、設備の使
用開始前に予め配管内の溶液温度を、熱搬送における使
用温度よりも高い温度まで加熱して、溶液内の気体の溶
存度を小さくしてエア抜き管Ｄから気体を大気に放出せ
しめ、予め溶液中の気体の溶存量自体を極力減らし、さ
らに膨張タンクにより所定の静水圧を与えることによ
り、システム系を安定させ摩擦抵抗低減効果が維持でき
ると共に、配管内の錆の発生をも防止することができ
る。なお、エア抜きは設備の使用開始前の他、定期点検
等の際に行ってもよい。また、前記加熱手段としてはボ
イラーの利用や他の加熱装置を付加すればよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる実験装置の構成図である。

【図２】本発明に係わる界面活性剤の例を示す図であ
る。

【図３】本発明に係わる水溶液の温度及び流速に対する
ＤＲ効果の実験結果を示す図である。

【図４】本発明に係わる配管径及び流速に対するＤＲ効
果の実験結果を示す図である。

【図５】図４の実験データをもとに作成した配管抵抗
（摩擦損失）線図である。

【図６】本発明におけるＤＲ効果がもたらす効果を説明
するための図である。

【図７】本発明におけるＤＲ効果がもたらす効果を説明
するための図である。

【図８】本発明の配管摩擦抵抗低減方法を利用した地域
熱供給装置の１実施例を示す構成図である。

【図９】高分子剤による摩擦抵抗低減に至るメカニズム
を説明するための図である。

【図１０】界面活性剤による摩擦抵抗低減に至るメカニ
ズムを説明するための図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 牧野 士郎 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東 京電力株式会社内 (72)発明者 金島 正治 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 熊谷 智正 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 川島 実 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 櫻井 翰 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内 (72)発明者 八塩 彰 東京都港区芝浦一丁目２番３号 清水建設 株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】界面活性剤を添加した溶液を搬送する水搬
   送配管において、配管口径を８０〜２，０００ｍｍの範
   囲内で、かつ流速を０．５〜３．５ｍ／ｓの範囲内で設
   定し、また、溶液の温度に対して所望の摩擦抵抗低減効
   果が出るように界面活性剤の濃度を設定することを特徴
   とする水搬送配管内の摩擦抵抗低減方法。
2. 【請求項２】未利用熱源から熱源プラント又は熱源プラ
   ントから熱利用側に水搬送配管を介して熱を搬送する熱
   供給設備において、前記水搬送配管内に請求項１記載の
   方法で界面活性剤を添加すると共に、前記水搬送配管に
   大気へ開放するエア抜き管を設け、設備の使用開始前に
   予め配管内の溶液温度を上昇させ、溶液内の気体の溶存
   度を小さして気泡発生による界面活性剤の摩擦抵抗低減
   機能低下を防止し、さらに、キャビテーションによる気
   泡発生を防止するために膨張タンクにより所定の静水圧
   を与えることを特徴とする水搬送配管内の摩擦抵抗低減
   方法。